第2章ARM微处理器硬件结构
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第2章 ARM微处理器硬件结构
本章主要内容：
计算机体系结构分类 ARM版本及系列 ARM处理器结构 存储系统机制
1
计算机体系结构Ⅰ
1.冯· 诺依曼结构
地址 CPU 数据 PC
存 储 器
2
计算机体系结构Ⅱ
2. 哈佛体系结构
地址 数据存储器 数据 地址 程序存储器 数据 PC CPU
3
9
ARM版本Ⅵ
6．V6版架构
V6版架构是2001年发布的，首先在2002年春季发布 的ARM11处理器中使用。此架构在 V5版基础上增加了 以下功能： THUMBTM：35%代码压缩； DSP扩充：高性能定点DSP功能； JazelleTM：Jova性能优化，可提高8倍； Media扩充：音/视频性能优化，可提高4倍。
15
RISC技术Ⅱ
ARM体系结构还采用了一些特别的技术：
所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行， 提高了指令的执行效率。 可用 Load/Store 指令批量传输数据，以提高数据的传 输效率。 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处 理。
16
流水线技术Ⅰ
1．ARM的3级流水线
4
ARM版本Ⅰ
1．V1版架构
该版架构只在原型机ARM1出现过，没有用于商业产品。 其基本性能有: 基本的数据处理指令（无乘法）； 基于字节、半字和字的Load/Store指令; 转移指令，包括子程序调用及链接指令； 供操作系统使用的软件中断指令SWI； 寻址空间：64MB（226）。
进入 Thumb 状态：当操作数寄存器的状态位（位 [0] ） 为1时，执行BX指令。 进入ARM状态：当操作数寄存器的状态位（位[0]）为0 时，执行BX指令。
14
RISC技术Ⅰ
RISC体系结构基本特点：
大多数指令只需要执行简单和基本的功能，其执行过 程在一个机器周期内完成。 只保留加载 / 存储指令。操作数由加载 / 存储指令从存 储器取出放寄存器内操作。 芯片逻辑不采用或少采用微码技术，而采用硬布线逻 辑。 减少指令数和寻址方式。 指令格式固定，指令译码简化。 优化编译。
10
ARM处理器系列
ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Inter的Xscale Inter的StrongARM
11
ARM处理器结构
从一下四个方面介绍：
ARM和Thumb状态 RISC技术 流水线技术 超标量执行
1 fetch decode excute
Fetch Decode Excute
取指令 解码 执行
2
fetch
decode
excute
3 指令
fetch
decode
excห้องสมุดไป่ตู้te
时间
17
流水线技术Ⅱ
多周期ARM指令的3级流水线操作
1 fetch ADD decode excute
2
fetch STR
ARM简介
ARM（Advanced RISC Machines）系列微处 理器，采用的ARM技术知识产权（IP）核都是由 ARM公司提供的。 ARM公司本身不生产芯片，转让设计许可， 由合作公司生产各具特色的芯片。 ARM32位体系结构目前被公认为是嵌入式应 用领域领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。从 版本1到版本6，ARM体系的指令集功能不断扩大。
7
ARM版本Ⅳ
4．V4版架构
V4版架构在 V3版上作了进一步扩充， V4版架构是目 前应用最广的ARM体系结构，ARM7、ARM8、ARM9和 StrongARM 都采用该架构。指令集中增加了以下功能： 符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令； 增加了16位Thumb指令集； 完善了软件中断SWI指令的功能； 处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作; 把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令。
8
ARM版本Ⅴ
5．V5版架构
V5 版架构是在 V4 版基础上增加了一些新的指令， ARM10和Xscale都采用该版架构。这些新增命令有： 带有链接和交换的转移BLX指令； 计数前导零CLZ指令； BRK中断指令； 增加了数字信号处理指令（V5TE版）； 为协处理器增加更多可选择的指令。
6
ARM版本Ⅲ
3．V3版架构
V3版架构对ARM体系结构作了较大的改动： 寻址空间增至32位（4GB）； 当前程序状态信息从原来的 R15 寄存器移到当前程序 状 态 寄 存 器 CPSR 中 （ Current Program Status Register）; 增 加 了 程序 状 态 保存 寄 存 器 SPSR（Saved Program Status Register）； 增加了中止（Abort）和未定义2种处理器模式； 增加了MRS/MSR指令，以访问新增的CPSR/SPSR寄存 器； 增加了从异常处理返回的指令功能。
decode
calc:addr data xfer
3
fetch ADD
decode
excute
4
fetch ADD
decode
excute
5 指令
fetch ADD
decode
excute 时间
18
流水线技术Ⅲ
2．ARM的流水线设计问题
（1）缩短程序执行时间: 提高时钟频率fclk 减少每条指令的平均时钟周期数CPI （2）解决流水线相关: 结构相关 数据相关 控制相关
12
ARM和Thumb状态
V4版以后有：
32位ARM指令集 16位Thumb指令集，功能是ARM指令集的功能 子集。
ARM7TDMI核以后，T变种的ARM微处 理器有两种工作状态：
ARM状态 Thumb状态。
13
ARM与Thumb状态转换
在程序的执行过程中，微处理器可以随时在 两种工作状态之间切换，并且该转变不影响处理 器的工作模式和相应寄存器中的内容。
5
ARM版本Ⅱ
2．V2版架构
该版架构对 V1 版进行了扩展，例如 ARM2 和 ARM3 （V2a）架构，版本 2a 是版本 2 的变种， ARM3 芯片采 用了版本2a。V2版架构与版本V1相比，增加了以下功 能： 乘法和乘加指令； 支持协处理器操作指令； 快速中断模式； SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令; 寻址空间：64MB。
本章主要内容：
计算机体系结构分类 ARM版本及系列 ARM处理器结构 存储系统机制
1
计算机体系结构Ⅰ
1.冯· 诺依曼结构
地址 CPU 数据 PC
存 储 器
2
计算机体系结构Ⅱ
2. 哈佛体系结构
地址 数据存储器 数据 地址 程序存储器 数据 PC CPU
3
9
ARM版本Ⅵ
6．V6版架构
V6版架构是2001年发布的，首先在2002年春季发布 的ARM11处理器中使用。此架构在 V5版基础上增加了 以下功能： THUMBTM：35%代码压缩； DSP扩充：高性能定点DSP功能； JazelleTM：Jova性能优化，可提高8倍； Media扩充：音/视频性能优化，可提高4倍。
15
RISC技术Ⅱ
ARM体系结构还采用了一些特别的技术：
所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行， 提高了指令的执行效率。 可用 Load/Store 指令批量传输数据，以提高数据的传 输效率。 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处 理。
16
流水线技术Ⅰ
1．ARM的3级流水线
4
ARM版本Ⅰ
1．V1版架构
该版架构只在原型机ARM1出现过，没有用于商业产品。 其基本性能有: 基本的数据处理指令（无乘法）； 基于字节、半字和字的Load/Store指令; 转移指令，包括子程序调用及链接指令； 供操作系统使用的软件中断指令SWI； 寻址空间：64MB（226）。
进入 Thumb 状态：当操作数寄存器的状态位（位 [0] ） 为1时，执行BX指令。 进入ARM状态：当操作数寄存器的状态位（位[0]）为0 时，执行BX指令。
14
RISC技术Ⅰ
RISC体系结构基本特点：
大多数指令只需要执行简单和基本的功能，其执行过 程在一个机器周期内完成。 只保留加载 / 存储指令。操作数由加载 / 存储指令从存 储器取出放寄存器内操作。 芯片逻辑不采用或少采用微码技术，而采用硬布线逻 辑。 减少指令数和寻址方式。 指令格式固定，指令译码简化。 优化编译。
10
ARM处理器系列
ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Inter的Xscale Inter的StrongARM
11
ARM处理器结构
从一下四个方面介绍：
ARM和Thumb状态 RISC技术 流水线技术 超标量执行
1 fetch decode excute
Fetch Decode Excute
取指令 解码 执行
2
fetch
decode
excute
3 指令
fetch
decode
excห้องสมุดไป่ตู้te
时间
17
流水线技术Ⅱ
多周期ARM指令的3级流水线操作
1 fetch ADD decode excute
2
fetch STR
ARM简介
ARM（Advanced RISC Machines）系列微处 理器，采用的ARM技术知识产权（IP）核都是由 ARM公司提供的。 ARM公司本身不生产芯片，转让设计许可， 由合作公司生产各具特色的芯片。 ARM32位体系结构目前被公认为是嵌入式应 用领域领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。从 版本1到版本6，ARM体系的指令集功能不断扩大。
7
ARM版本Ⅳ
4．V4版架构
V4版架构在 V3版上作了进一步扩充， V4版架构是目 前应用最广的ARM体系结构，ARM7、ARM8、ARM9和 StrongARM 都采用该架构。指令集中增加了以下功能： 符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令； 增加了16位Thumb指令集； 完善了软件中断SWI指令的功能； 处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作; 把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令。
8
ARM版本Ⅴ
5．V5版架构
V5 版架构是在 V4 版基础上增加了一些新的指令， ARM10和Xscale都采用该版架构。这些新增命令有： 带有链接和交换的转移BLX指令； 计数前导零CLZ指令； BRK中断指令； 增加了数字信号处理指令（V5TE版）； 为协处理器增加更多可选择的指令。
6
ARM版本Ⅲ
3．V3版架构
V3版架构对ARM体系结构作了较大的改动： 寻址空间增至32位（4GB）； 当前程序状态信息从原来的 R15 寄存器移到当前程序 状 态 寄 存 器 CPSR 中 （ Current Program Status Register）; 增 加 了 程序 状 态 保存 寄 存 器 SPSR（Saved Program Status Register）； 增加了中止（Abort）和未定义2种处理器模式； 增加了MRS/MSR指令，以访问新增的CPSR/SPSR寄存 器； 增加了从异常处理返回的指令功能。
decode
calc:addr data xfer
3
fetch ADD
decode
excute
4
fetch ADD
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excute
5 指令
fetch ADD
decode
excute 时间
18
流水线技术Ⅲ
2．ARM的流水线设计问题
（1）缩短程序执行时间: 提高时钟频率fclk 减少每条指令的平均时钟周期数CPI （2）解决流水线相关: 结构相关 数据相关 控制相关
12
ARM和Thumb状态
V4版以后有：
32位ARM指令集 16位Thumb指令集，功能是ARM指令集的功能 子集。
ARM7TDMI核以后，T变种的ARM微处 理器有两种工作状态：
ARM状态 Thumb状态。
13
ARM与Thumb状态转换
在程序的执行过程中，微处理器可以随时在 两种工作状态之间切换，并且该转变不影响处理 器的工作模式和相应寄存器中的内容。
5
ARM版本Ⅱ
2．V2版架构
该版架构对 V1 版进行了扩展，例如 ARM2 和 ARM3 （V2a）架构，版本 2a 是版本 2 的变种， ARM3 芯片采 用了版本2a。V2版架构与版本V1相比，增加了以下功 能： 乘法和乘加指令； 支持协处理器操作指令； 快速中断模式； SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令; 寻址空间：64MB。